經(jīng)顱HIFU激勵信號的調(diào)控及其形成溫度場的數(shù)值仿真研究.pdf

1、高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)技術(shù)已被應(yīng)用于臨床治療實體性肝腫瘤、子宮肌瘤等，因其具有的非侵入性和可重復(fù)治療性被引入經(jīng)顱腦腫瘤治療和經(jīng)顱藥物傳遞等。由于顱內(nèi)靶區(qū)被顱骨包圍，顱骨與腦組織的聲學(xué)參數(shù)存在巨大差異，使經(jīng)顱傳播的聲波發(fā)生相位和幅值畸變，導(dǎo)致經(jīng)顱骨聲波偏離設(shè)定焦點聚焦、對顱骨及周邊組織可能造成熱損傷等問題的發(fā)生。研究精確有效的經(jīng)顱聚焦方法和降低對顱骨及周邊組織熱損傷的

2、方法非常必要。
　　目的:
　　由于HIFU經(jīng)非均質(zhì)顱骨傳播時發(fā)生相位失真、幅值畸變導(dǎo)致經(jīng)顱HIFU聲波在顱內(nèi)設(shè)定焦點處不能聚焦，對顱骨及其周邊組織造成熱損傷。本文通過對相控?fù)Q能器陣元激勵信號相位、幅值及消除顱骨內(nèi)高聲壓的信號相位和幅值的調(diào)控，調(diào)控經(jīng)顱聚焦形成的聲場及溫度場，實現(xiàn)顱骨及周邊組織無傷的HIFU經(jīng)顱內(nèi)高效精確聚焦，為經(jīng)顱HIFU應(yīng)用于臨床治療提供理論參考。
　　方法:
　　本研究以人頭顱CT掃描數(shù)據(jù)的

3、重建圖像為基礎(chǔ)，結(jié)合小開口64陣元球冠狀相控?fù)Q能器，建立三維HIFU經(jīng)顱數(shù)值仿真模型，以時域有限差分法(Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)數(shù)值解析Westervelt非線性聲波傳播方程和Pennes生物熱傳導(dǎo)方程，分析HIFU經(jīng)顱后形成的聲場及溫度場分布。應(yīng)用基于時間反轉(zhuǎn)的相位和幅值調(diào)制法獲得相控?fù)Q能器陣元的激勵信號，根據(jù)這些激勵信號形成的聲場及溫度場，分析與討論不同陣元激勵信號對其形成聲場及溫度場的

4、影響及調(diào)控作用；利用溫度閾值和熱劑量法分析對正常組織可能存在的傷害和靶區(qū)內(nèi)形成的治療焦域體積；在對正常組織無傷害的前提下分析相控?fù)Q能器可實現(xiàn)的調(diào)控區(qū)域，并對形成的可治療焦域體積進(jìn)行調(diào)控。
　　結(jié)果:
　　1.調(diào)控?fù)Q能器陣元激勵信號對經(jīng)顱聲波進(jìn)行相位校正聚焦時，形成焦點在設(shè)定位置處，但顱骨內(nèi)可能存在高聲壓，顱骨處高聲壓與焦點聲壓比值（骨焦比）較大；再結(jié)合幅值校正后，焦點處聲壓較僅作相位校正時的聲壓有所升高，顱骨內(nèi)聲壓略有降低，

5、骨焦比略降低；采用相位校正結(jié)合降低顱骨內(nèi)高聲壓后，骨焦比降低，顱骨內(nèi)高聲壓降低，但焦點處聲壓也降低；采用相位及幅值校正結(jié)合降低顱骨內(nèi)高聲壓調(diào)控法后，骨焦比和顱骨內(nèi)高聲壓繼續(xù)降低，焦點處聲壓相對于相位校正后的無變化。
　　2.聲軸上聚焦時，采用幅值校正后，焦點聲壓和可治療焦域體積比不做幅值校正時均有增大。
　　3.基于時間反轉(zhuǎn)的數(shù)值擬合法與互相關(guān)法獲得的調(diào)控陣元激勵信號的相位信息，都可用于經(jīng)顱聲場的相位校正。
　　4.對

6、相控?fù)Q能器不同環(huán)上陣元激勵信號進(jìn)行相位和幅值調(diào)制，以調(diào)制換能器外環(huán)陣元信號的幅值作用較佳，這種調(diào)節(jié)模式既可使焦點達(dá)到可治療的溫度，也可使顱骨與水的臨界面溫度降低。
　　5.經(jīng)顱聲波的非線性導(dǎo)致焦點處的聲壓、溫度和熱量沉積均大于線性。
　　6.經(jīng)枕骨窗聚焦時，在聚焦深度為25 mm的條件下，沿垂直于換能器聲軸的Y軸方向偏離距離小于等于5 mm的范圍內(nèi)可實現(xiàn)僅針對靶區(qū)組織且對非靶區(qū)組織不會造成傷害的聚焦，而不能在沿Z方向偏離聲軸

7、實現(xiàn)安全聚焦。
　　7.經(jīng)顱聲波調(diào)控后聚焦形成的焦域體積隨垂直偏離換能器聲軸距離增大而減?。划?dāng)偏離聲軸距離一定時，焦域體積隨輸入聲強(qiáng)增大而呈近似線性關(guān)系增大；調(diào)控?fù)Q能器陣元的輸入聲強(qiáng)，可調(diào)控偏離換能器聲軸聚焦時焦域體積的大小，使不同偏離距離下聚焦形成的焦域體積與在軸聚焦時體積相同。
　　結(jié)論:
　　1.相控?fù)Q能器陣元激勵信號直接影響相控?fù)Q能器經(jīng)顱聚焦形成聲壓場和溫度場，通過調(diào)制相控?fù)Q能器陣元激勵信號相位和幅值，可使經(jīng)顱

8、聲波精確聚焦，提高焦點處最大聲壓和最高溫度，增大在焦點處的經(jīng)顱聲能量聚積。
　　2.通過疊加降低顱骨內(nèi)高聲壓的激勵信號，可使聲波在顱骨內(nèi)的能量沉積減小，避免聲波對顱骨造成熱損傷；也可針對換能器不同環(huán)陣元激勵信號的幅值進(jìn)行調(diào)控，尤其只對換能器外環(huán)陣元信號調(diào)控時，可使顱骨與水的臨界面的溫度降低。
　　3.經(jīng)顱聲波的非線性影響聚焦形成的聲壓場和溫度場，經(jīng)顱HIFU治療時需要考慮其非線性。
　　4.當(dāng)聲窗一定時，存在聲波經(jīng)顱偏

9、離換能器聲軸安全聚焦的距離，且隨垂直偏離聲軸距離的增大，聚焦形成的體積減小，但可根據(jù)垂直偏離聲軸的距離及聲強(qiáng)的線性關(guān)系，調(diào)節(jié)換能器陣元的輸入聲強(qiáng)，使偏離聲軸聚焦時形成的焦域體積與在軸聚焦時一致。
　　本研究通過數(shù)值仿真方法，研究調(diào)控經(jīng)顱聲波聚焦形成溫度場的方法，解決了經(jīng)顱聲波不能在設(shè)定焦點聚焦且對顱骨造成熱損傷的問題，在完成顱內(nèi)精確聚焦且不熱損傷顱骨的同時，通過調(diào)控聲波幅值的方法提升了焦點處的能量沉積，使聲波能量更加集中于需治療的